Fulerenos: la química de hoy, la apuesta de mañana

2000/08/01 Imaz Oiartzabal, Alaitz | Matxain Beraza, Jon Mattin - EHUko Kimika Fakultateko eta DIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Kimika

Si se analiza la abundancia de elementos superficiales, se observa que el carbono no es uno de los elementos más abundantes (la media es de 320 g de carbono por tonelada de superficie). Combinada con otros elementos en la litosfera, se encuentra en las calizas y el petróleo. Sin embargo, en la atmósfera y en las aguas marinas el CO está en forma de 2. En general, el carbono es el elemento básico de las moléculas orgánicas. El carbono es la base de la mayoría de los componentes necesarios para la vida. Muchos de los combustibles que utilizamos en nuestra vida cotidiana (gasolina y butano extraído del petróleo) y/o plásticos, en gran medida compuestos por carbono. En resumen, se puede decir que en la naturaleza el carbono, sin asociarse ni mezclarse con otros elementos, se encuentra en tres formas principales: el diamante, el grafito y el carbón activo. El diamante y el grafito tienen una estructura cristalina y el carbón una estructura amorfa. El carbono es, por tanto, el elemento que más compuestos genera.

Cada átomo de carbono tiene cuatro electrones en la última capa, a través de los cuales se puede conectar con un máximo de cuatro átomos. Tanto el grafito como el diamante se forman mediante la unión ordenada de los átomos de carbono. En el diamante cada átomo se une a otros cuatro carbonos para formar estructuras de tetraedros. Cada uno de estos tetraedros se une a otro tetraedro por los vértices, formando una red tridimensional simétrica. En el caso del grafito, sin embargo, cada átomo de carbono se une a otros tres carbonos formando láminas de hexágono que se acumulan para formar estructuras tridimensionales. Las uniones entre estas planchas son más débiles que las uniones en diamante. Por eso el grafito es mucho más blando que el diamante.

El diamante y el grafito tienen diferentes estructuras y propiedades, y su uso es diferente. Se sabe la importancia del diamante en la joyería, pero debido a la dureza intrínseca del diamante, las grandes impurezas se utilizan en la industria. El grafito se utiliza en la fabricación de electrodos, como lubricante sólido, minas de lápices, etc.

Nuevas estructuras de carbono

Como ya se ha indicado, la ciencia ha avanzado mucho y, en muchos casos, cuando se han producido descubrimientos imprevistos, se han desviado las líneas de investigación, se ha descartado el trabajo anterior y se han iniciado nuevas vías. Es lo que les pasó en 1985 Robert F de EEUU. Curl y Richard E. Www.euskaltel.com y Harold W Británico Krotori. Este equipo de trabajo descubrió e identificó una nueva estructura de carbono: el fulereno. Estos compuestos ya fueron vistos por otros grupos, pero no fueron identificados como "estructuras desconocidas de carbono". El astroquímico Kroto encontró fulerenos mientras investigaba la composición de estrellas ricas en carbono. Con el fin de observar las estructuras de carbono de la atmósfera exterior de las gigantescas estrellas rojas, el grafito fue evaporado por rayos láser; tras analizar el plasma de carbono así obtenido, se constata una y otra vez que la tendencia a la recogida de carbono por sexenios era muy elevada (incluso setenta en volumen). Este descubrimiento le llevó al Premio Nobel de Química en 1996.

Estructura de los fulerenos

No fue tarea fácil imaginar la estructura de esta sustancia que acabaron de encontrar. Tras varios quebraderos de cabeza, R. Los científicos anteriormente citados descubrieron que la estructura de las cúpulas geodésicas del arquitecto y filósofo americano Buckminster Fuller (1895-1983) se correspondía con las mismas. Por ello, aunque inicialmente se denominaron "Buckminsterfullereno", más tarde se popularizó el término "fulereno", pero también se les llamó "buckyballs" y "buckys". Esta estructura se asemeja al balón de fútbol, es decir, es una estructura circular y hueca de 60 carbono compuesta por 12 pentágonos y 20 hexágonos, C 60 . En torno a cada uno de los pentágonos hay cinco hexágonos que permiten darle una rotundidad a la estructura. Esta estructura se obtiene asociando cada átomo de carbono a otros tres carbonos, como en el caso del grafito. Esta estructura, de forma casi esférica, tiene un diámetro medio de 7Á (7x10 -10 m) y una masa molecular de 720,64 (12,01 del átomo de carbono). El fulereno es la molécula más esférica y simétrica conocida. 94% de esfericidad.

Como ya se ha comentado, en un principio se encontraron estructuras C 60 y C 70 que, a pesar de ser las más numerosas, poco a poco fueron descubriendo otras: C 20 (el fulereno más pequeño posible, dodecaedro regular, formado por 12 pentágonos), C 32 , C 50 , C 76 , C 78 , C 84 , C 240 , C 540, etc.

También se han encontrado estructuras intermedias entre los fulerenos y el grafito: nanotubos y fuleroides llenos. Los nanotubos son tubos cilíndricos de muy pequeño tamaño que se forman mediante el plegado de las láminas de grafito y cuyos extremos se cierran mediante estructuras tipo fulereno. Por el contrario, los fuleroides llenos se forman por acumulación de capas concéntricas de grafito-fulereno de diferente tamaño (al estilo de la cebolla). Sin embargo, todavía no saben si se podrán producir cantidades macroscópicas de estos fuleroides llenos.

¿Cómo se hacen?

Síntesis de C 60 W. Krätschmer y D. R. Huffman se debe a los físicos (1990). Al principio obtuvieron cantidades muy pequeñas, que fue el mayor problema. Aunque las propiedades de los fulerenos son muy importantes, se obtenían cantidades tan pequeñas (y por tanto tan caras) que era difícil avanzar en la investigación. Por ello, el mayor reto inicial fue sintetizar cantidades macroscópicas de fulereno. En la actualidad, los laboratorios especializados generan sus propios fulerenos. Si bien el procedimiento descubierto por estos científicos ha variado ligeramente desde entonces, se basa en el arco voltaico entre los electrodos de grafito establecidos en la atmósfera controlada de helio. De esta forma se genera una hollín con pequeñas cantidades de fulereno, la proporción C 60 /C 70 de hollín depende además de la intensidad de corriente utilizada en el procedimiento. Este procedimiento es muy sencillo si se compara con la compleja herramienta utilizada inicialmente, pero se han investigado y siguen investigando otras fuentes de fulereno.

Por otro lado, en la actualidad muchas sustancias son analizadas a través de programas informáticos. En estos programas se realizan cálculos muy complejos y se obtienen buenos resultados. A partir del análisis teórico de las uniones entre átomos, se obtienen imágenes virtuales de sustancias químicas y se calcula su geometría y energía. Dada la dificultad de obtener fulerenos y derivados en cantidades macroscópicas, baratas y puras, la realización de estos estudios de simulación resulta de gran utilidad, ya que la realización de estudios de estabilidad de estas moléculas permite predecir sus propiedades.

Los fulerenos ¿para qué?

Antes de analizar el uso de cualquier material, es necesario investigar y comprender sus propiedades, ya que dependiendo de sus propiedades el material tendrá diferentes usos. De hecho, si nos fijamos en las propiedades de los fulerenos, veremos que son muy interesantes: tienen propiedades conductoras, fotoquímicas, estructurales, etc. Gracias a estas múltiples propiedades se especuló inicialmente la posibilidad de varios usos para los fulerenos.

En cuanto a las propiedades estructurales, la pequeña y esférica estructura de los fulerenos hace que sean capaces de almacenar en su interior átomos y moléculas pequeñas: metales pesados, fármacos, etc. Esta última puede tener una gran influencia en la medicina, ya que los fármacos así reunidos podrían llegar al órgano enfermo sin destruirlo en el camino o perjudicarlo en otros órganos. Por otro lado, el fulereno se ha utilizado también en los microscopios más precisos basados en el efecto túnel de los electrones. Estos microscopios tienen una pequeña punta en la que mediante la colocación de una molécula de fulereno, su pequeño tamaño ha permitido que los átomos del grafito se hayan "visto" individualmente. Los nanotubos antes mencionados, combinados con metales, conducen corriente eléctrica. Su estructura nanométrica permite la construcción de hilos muy pequeños, lo que permite, entre otras cosas, reducir el tamaño de los chips de los ordenadores. Además, se ha especulado que tienen mayor resistencia mecánica (es decir, son más resistentes) que las fibras de carbono con estructura de grafito.

Los fulerenos pueden chocar a una velocidad de 27.000 km/h sin romperse contra una plancha de acero, lo que indica la dureza de estas moléculas. Además, son capaces de soportar presiones muy elevadas, 220.000 veces superiores a las que sufrimos los seres humanos a causa de la atmósfera. En consecuencia, su capacidad de embalaje es muy elevada, más del doble que la del diamante. Esta dureza y capacidad de empaquetado también ha hecho referencia a su potencial industrial como sustituto del diamante.

Sin embargo, las propiedades conductoras y fotoquímicas son algunas de las más importantes. Además, teniendo en cuenta la capacidad de los fulerenos de combinarse con otras moléculas, se obtienen materiales con un enorme potencial. Los fulerenos pueden utilizarse como aislantes eléctricos o como semiconductores, dependiendo del compuesto al que se asocie. Los materiales aislantes no dejan pasar la corriente eléctrica, mientras que los semiconductores, a pesar de actuar como aislantes en condiciones normales, son capaces de absorber una pequeña cantidad de energía del medio, transportando así la corriente eléctrica. Para ello es necesario combinar los fulerenos con otras moléculas. Las propiedades fotoquímicas de los fulerenos permiten obtener de la luz solar la energía necesaria para conducir corriente eléctrica. Todas estas propiedades han permitido a los fulerenos iniciar su andadura en el campo de las energías renovables. En varios laboratorios se está investigando la utilidad y posibles ventajas de los fulerenos en este campo.

En 1999 presentaron la revolucionaria célula solar fotovoltaica formada por moléculas derivadas de fulereno. En ellas, la misma molécula suministra y capta electrones, lo que permite aumentar la eficacia celular. Sin embargo, todavía es muy pronto para sacar conclusiones. Los autores han reconocido todavía que la eficacia de esta célula es muy baja, pero con la utilización de derivados que absorben más energía solar se pueden esperar mejoras.

En general, los materiales que conducen la corriente eléctrica pierden energía debido al fenómeno denominado resistencia eléctrica. Esto se debe a que los electrones que se desplazan del conductor tienen obstáculos en su movimiento. Esto, por supuesto, tiene su influencia en las células solares, ya que una cantidad de energía solar se pierde. Durante este siglo, sin embargo, ¡se han encontrado materiales sin resistencia! Esto significa que los electrones no pierden energía en su movimiento. Estos materiales se denominan superconductores. Se han encontrado muchos materiales superconductores pero todos tienen el mismo problema: se necesitan temperaturas muy bajas para que aparezca la superconductividad, ya que así desaparecen los obstáculos sufridos por los electrones.

Los fulerenos combinados con potasio (K) o bario (Ba) a 33K o -240 ºC son superconductores.

Hemos visto que los fulerenos pueden tener muchos usos. Cada día se encuentran numerosas aplicaciones a los nuevos materiales y, como consecuencia, los que en la actualidad son sólo especulaciones, se están convirtiendo en realidad. Cuando se logre una elevada síntesis de fulerenos, éstos se convertirán en realidad en nuestra sociedad.

La célula solar fotovoltaica convierte la energía que llega del sol en corriente eléctrica. Para ello la célula solar necesita dos materiales diferentes. Uno absorbe la luz, liberando electrones y el otro los capta. La corriente eléctrica surge como consecuencia del movimiento de estos electrones.